广西来宾市旱改水稻田水稻黄化病因调查与综合诊断

2023-01-07周健平兰志斌李德越陈仁钦张大刊陆秋萍李一鸣李天娇邹承武何勇强

西南农业学报 2022年10期

周健平，卢洁，兰志斌，李德越，陈仁钦，张大刊，陆秋萍，但雪，李一鸣，，李天娇，，邹承武，，何勇强，

(1.广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室，南宁 530004；2.广西大学生命科学与技术学院/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁 530004；3.广西来宾市兴宾区植物保护站，广西来宾 546100；4.广西多得乐生物科技有限公司，南宁 530006)

【研究意义】水稻是三大主要粮食作物之一，是全世界接近一半人口的主食，也是重要的工业原料[1]。稳定水稻种植面积、提高水稻产量和品质是我国农业发展的重要任务之一[2]。耕地是土地资源利用最重要的形式，担负着保障人民粮食安全的重任[3]。然而自改革开放以来，在社会经济各项政策的驱动下，我国的土地利用在深度与广度上均呈现剧烈转型，一方面优质耕地不断被占用，土地利用与耕地“红线”的矛盾日益凸显[4]；另一方面城乡建设快速发展转型，非农建设用地供应极度紧张[5]。如何通过合理利用土地资源以保障粮食安全，是亟需关注和解决的主要问题。为了兼顾建设用地和耕地保护双重任务，我国从1998年开始贯彻实施“耕地占补平衡”制度[6]。广西山多地少，耕地后备资源不足，为了落实占优补优，占水田补水田的耕地占补平衡政策，广西自然资源厅(原国土资源厅)从2014年开始，在全区范围内组织实施旱改水耕地提质改造工作，对旱地采取土地平整和增设排灌设施等方式将其升级改造为水田[7-8]。截至2021年底，广西共完成旱改水项目940个，已入库新增水田2.70万hm2，可增加粮食产能达1亿kg，实现藏粮于地、确保耕地占补平衡和保障粮食安全[9]。然而，广西旱改水工程项目仍然存在土壤质地不均一、人造犁底层漏水和灌溉水不稳定等问题，部分改造水田未按要求进行土壤培肥，缺乏地力培肥措施，耕地质量不高，水稻生长受到不同程度影响[7]。来宾市是广西实施旱改水工作力度较大的地区之一，2019年共实施38个旱改水项目，建设规模达0.58万hm2。2020年5月水稻拔节期，来宾市兴宾区约三分之一旱改水新稻田出现不明原因的水稻黄化和稻株生长缓慢现象。农户采取撒网式喷施杀菌剂、杀虫剂、防病毒病药剂及追施速效肥料等，均未能遏制水稻黄化现象，最终导致严重减产减收。同时，盲目施药和施肥还增加了农田环境污染风险。因此，明确旱改水水稻黄化的病因和发病机理，对有效防控旱改水水稻黄化病及为广西旱改水项目的高效实施和保障粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】在前期的旱改水实践中，人们已注意到旱改水对土壤理化性质、化学物质活度和微生物群落均有一定的影响[10-11]。目前，人们对旱改水出现水稻黄化问题的原因尚无明确定论，但初步研究结果可归类为土壤营养缺乏型、营养障碍型和毒害型3个方面。在土壤营养缺乏方面，不同地区、不同土壤类型间差异明显，如江西和福建省旱改水稻区有水稻缺镁黄化的报道[12-13]，江苏省旱改水稻田存在缺铜和缺锌问题[14-15]，东北地区有水稻缺钙黄化的报道[16]；廖宗文等[17]报道部分水稻黄化可通过施用硅肥而得到纠正，说明水稻黄化可能与缺硅有关。在土壤营养障碍方面，由于旱改水的特殊土壤结构可导致产生土壤营养吸收和营养平衡问题，如广西南部的黄泥田水稻黄化曾被推测为土壤微生物与水稻竞争氮肥的结果[18]；黎晓峰等[19]研究认为，广西矿区复垦水稻黄化是锰过量引起的水稻锰铁不平衡；闫加力等[20]研究证实，棉田旱改水初期土壤中有效态铁含量过低及有效态铜含量过高均会致使水稻幼苗出现失绿黄化矮小症状。在土壤毒害方面，土壤中存在某种致害因子致使水稻黄化，刘志会等[16]研究指出，在长期淹水状态下，产生甲烷、硫化氢及使用污水灌田等均能引起水稻受害；邓铁金等[21]研究表明，江西旱改水水稻黄叶黑根的主要原因是红壤旱改水后其物理性质变坏，引起插秧沉苗，土壤板结，孔隙减少，通气受阻，导致还原性毒害物质积累，进而引起潜毒型毒害；邢丽英[22]研究认为，旱改水水稻黄化可能是前茬作物施用除草剂残留造成的药害问题；刘建军和罗功仪[23]报道旱地改水田会使土壤中的砷活性增强，导致水稻砷中毒，受害严重时水稻地上部发黄, 根系发黑。目前，国际上开展旱改水研究较多的国家是印度，但印度的土壤类型与我国的土壤类型存在明显差异，其旱改水黄化问题并不突出[24-25]。可见，不同地方的旱改水水稻黄化病因尽管存在一定共性，但更多的是与地质结构、土壤类型、耕作方式、降雨供水和土壤污染状况等密切关联。【本研究切入点】本研究前期调研、分析结果显示，广西来宾市旱改水发生的水稻黄化特征与已知的水稻黄化特征不同，且未能有效施治。结合全国多地进行旱改水均曾发生部分水稻黄化病问题及引起黄化的原因明显不同的研究结果，对于新发生旱改水黄化问题，必须进行个案分析，以真正弄清旱改水水稻黄化的确切原因。【拟解决的关键问题】采用普查、定点调研、补偿实验和综合诊断相结合的策略，从水稻黄化病害机理、土壤与植物营养、水田生态和微生物区系等方面入手，系统开展广西来宾市旱改水新稻田水稻黄化病综合诊断，开展治理和防控试验，提出初步整合治理方案，以期为广西旱改水工程的顺利实施和健康发展及国家水稻安全生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 调查地基本情况

广西来宾市兴宾区位于桂中地区、红水河下游，地势开阔坦荡，土壤肥沃，属南亚热带向中亚热带过渡区域，日照充足，雨量充沛，年均气温20.7 ℃ ，年均降水量1352.9 mm，年均雨日156.2 d。但受季风气候影响，年降水量多集中在4—9月，春、秋两季干旱严重。该区域旱地土壤可分为5个土类9个亚类，旱改水稻田原为荒坡地和甘蔗地，绝大多数属于红壤和砖红壤，具有酸性强、有机质少、养分含量低和土壤黏重等特点。来宾市兴宾区已发现有21种矿产，主要为锰矿、铝土矿、煤矿、水泥用页岩和石膏矿等。土壤本底某些重金属含量较高，同时矿产开发对当地土壤有一定影响[26]。

1.2 调查和诊断方法

1.2.1 旱改水水稻黄化病现场调研 2020年6—12月，旱改水稻田(早稻、中稻)黄化调查组会同当地工作人员对来宾市兴宾区陶邓镇、高安乡和五山乡等多处旱改水稻田连片种植基地展开详细调查，实地考查水稻病株的症状和分布情况，问询病史并查阅相关资料档案。此次水稻黄化大田特征与水稻橙叶病、水稻黄萎病、除草剂毒害和综合缺素症相似，具有一定的迷惑性，需采取排除法，以逐步明确黄化病因[27-29]，并参考苏祖芳等[30]的水稻缺素诊断及渡边和彦等[31]的作物营养元素缺乏症和过剩诊断法进行比较诊断。

1.2.2 病虫情调查采用随机调查法进行病虫情调查。调查时每片旱改水项目稻田选取5～8个连片栽植调查田块，每个田块随机选择30～50株水稻进行病虫害调查，并采集水稻黄化病株和土壤样本。病虫害分类参考相关资料在广西大学亚热带生物资源保护与利用国家重点实验室进行鉴定。

1.2.3 叶绿素参数测定选择天气晴朗的9：00—11：00使用PAM-2500叶绿素荧光仪测定黄化病株叶片的叶绿素荧光参数。随机测定5株黄化水稻剑叶，重复3次，以正常水稻剑叶为对照[32-33]。以SPAD-502测定仪(日本)随机选取田块中3个取样点，每样点10株水稻，读取每株水稻中部叶片中间部位的SPAD值作为叶绿素相对含量。

1.2.4 土壤与水稻叶片理化性状分析病株样本和土壤样本编号后分别送至广西大学农学院分析测试研究中心和广西农业环境与农产品安全重点实验室，以广西大学农场水稻叶片和土壤为对照(CK)进行理化性状指标检测和除草剂残留检测。参考何勇强等[34]的方案开展检测分析。

1.3 新稻田补肥治理试验

调查组在来宾市兴宾区高安乡旱改水新稻田初步开展新稻田补肥治理试验。选取相邻的新稻田，针对土壤中存在的障碍因子，在施用生石灰调整土壤酸度的基础上，进行新型施肥配方试验(表1)，于分蘖末期调查水稻的病株率和病叶率，于收获期测定水稻产量。水稻产季为晚稻，品种为珍桂矮。

表1 水稻黄化病补肥试验处理

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2016进行整理，以SPSS 20.0进行统计分析，利用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验，以Person相关分析估计变量间的线性相关关系。

2 结果与分析

2.1 旱改水黄化水稻的田间症状

来宾市2020年旱改水(图1-A)早稻、中稻种植面积0.40万hm2。从2020年5月开始，多处旱改水稻田的水稻叶片出现明显黄化及稻株生长缓慢问题，水稻黄化田块面积约占旱改水稻田面积的1/3，其中严重黄化(黄叶率大于60%，图1-B)面积超过500.00 hm2。旱改水黄化水稻的田间症状表现为：①分蘖期前，与其他稻田无明显差异；分蘖盛期，部分田块开始黄化，随着水稻的发育，黄化程度不断加重(图2-A)。②黄化病症状：老叶黄化重，新叶黄化较轻；黄化由叶尖开始，叶缘随后，再到中脉，最后全叶黄化；水稻发育后期叶片干枯，严重黄化的有整株干死现象(图2-B)。③根部褐化严重，根活力低，部分田块水稻发育迟缓(图2-C，2-D)。④发育慢，分蘖率低；秕谷率高，产量1500～3000 kg/hm2，仅为正常水稻的15%～30%，严重的田块几乎颗粒无收。

A：来宾市旱改水典型土壤特征(来宾市武宣县)；B：水稻大面积黄化状况(来宾市陶邓镇廖平农场)

A：严重黄化田块局部状况；B：单株水稻典型黄化症状；C：黄化水稻根部(带土)；D：黄化水稻根系褐变根较多；E～H：正常水稻(对照)

采用比较诊断分析法，将田间病叶症状与教科书中典型的缺素症和毒害症状[30-31]相比较，无法明确属于哪类障碍问题。

2.2 黄化稻田的土壤理化指标

由表2可知，黄化稻田土壤的pH及有机质、全氮、全磷和镁含量均显著低于CK(P<0.05，下同)，全钾、有效磷、速效钾、铁和镉含量与CK无显著差异(P>0.05，下同)，锰、铜、锌、铝和砷含量显著高于CK；在富集的金属或类金属元素中，铜、锌和砷属于农用地土壤污染风险筛选检测项目，其中，砷含量超过土壤污染风险筛选值(30.00 mg/kg)，铜和锌未达土壤污染阈值[35]。说明黄化稻田土壤属于强酸性贫瘠化土壤，土壤有机质含量低，保肥水平低，对有害物质的缓冲能力差，土壤污染风险增大。

表2 黄化稻田土壤的理化指标比较

2.3 黄化稻叶的理化指标

由表3可知，黄化水稻叶片的SPAD值及氮、磷、镁和镉含量均显著低于CK；铁、锌、铝和钾含量与CK无显著差异；锰和铜含量显著高于CK；黄化水稻叶片中含量偏低的氮、磷和镁均属于植物黄化相关元素，但磷含量仍处于正常范围内，而氮和镁含量既低于CK也低于正常水稻叶片[30]；黄化水稻叶片中含量偏高的锰和铜虽为植物生长和生理代谢的必需元素，但过量会对植物产生毒害现象，来宾市兴宾区高安乡的黄化稻叶检测值，其锰含量为CK的3.4倍，铜含量为CK的5.7倍。说明水稻黄化与氮和镁元素缺乏相关，而锰和铜含量偏高可能加剧了黄化过程。

表3 黄化稻田水稻叶片的理化指标比较

水稻叶片的SPAD值可反映植物的叶绿素相对含量或“绿色程度”。从土壤和水稻叶片的理化指标检测结果中提取11个可能对水稻黄化产生重要影响的参数，以水稻叶片的SPAD值为目标参数，以Pearson相关系数检验可确定不同参数对水稻影响的“绿色程度”。由表4可知，土壤pH及土壤有机质、土壤全氮、稻叶氮、土壤镁和稻叶镁含量与水稻SPAD值呈极显著正相关(P<0.01，下同)，相关系数均大于0.800；稻叶锰、土壤铜、稻叶铜和土壤砷含量与水稻SPAD值呈显著或极显著负相关。因此，判断水稻黄化主要诱因为土壤酸化及有机质、氮、镁营养物质缺乏(在统计学上，相关性系数在0.800以上即为高度相关[37])，次要诱因为土壤铜、锰和砷元素的活化及有害元素在水稻体内的生物富集。

表4 水稻叶片SPAD值与异常理化参数间的Pearson相关分析

2.4 土壤除草剂残留与侵染性病原分析

2.4.1 旱地作物除草剂残留检测结果旱改水的旱地多为甘蔗地，常年施用除草剂(乙草胺、莠灭净和敌草隆)除草，需明确除草剂残留与旱改水新稻田黄化间的关系。对来宾市兴宾区陶邓镇黄化稻田进行的除草剂土壤残留检测结果表明，黄化稻田土壤乙草胺残留量[(0.0069±0.0003)mg/kg]显著低于广西大学农场对照稻田土壤[(0.0081±0.0004)mg/kg]，未检出莠灭净和敌草隆残留。因此，可排除长效除草剂毒害病因。

2.4.2 水稻橙叶病和黄萎病病原检测对黄化病田调研未发现水稻橙叶病昆虫介体电光叶蝉和水稻黄萎病昆虫介体黑尾叶蝉，采用橙叶病植原体特异引物和黄萎病病毒特异引物分别进行PCR检测，未检出水稻橙叶病和黄萎病病原。因此，可排除水稻橙叶病和黄萎病是引起旱改水新稻田黄化的病因。

2.4.3 常见潜在风险性病虫害分析 ①稻纵卷叶螟：经调查，第三代(主害代)稻纵卷叶螟在来宾市兴宾区陶邓镇和高安乡有中度发生，百丛虫量为100～200头，估计损失率约10%；发生时段集中在6月上中旬，主要原因是5月下旬至6月上旬多雨的气候条件适宜该虫迁入繁殖为害。②水稻纹枯病：纹枯病是广西水稻生产的重要病害，早稻发生时段集中在6月中旬至7月上旬，主要原因是上半年雨水多不利于晒田，田间菌核残留量大，对该病发生有利，其中在来宾市兴宾区高安乡有局部中偏轻度发生，病株率在15%～25%。

2.4.4 偶发或区域性病虫害分析 ①细菌性条斑病：该病仅在来宾市兴宾区高安乡和陶邓镇部分田块零星发生，平均严重度1级，主要原因是菌源少，上半年气候条件对该病发生不利。②白叶枯病：该病仅在来宾市兴宾区陶邓镇部分田块零星发生，菌源少，平均严重度1级。③水稻胡麻斑病：一般在缺肥缺水稻田内水稻生长不良时发病严重，近年来随着农技水平的提高和水稻品种的更新，危害有所减轻，仅在来宾市兴宾区五山乡局部发生。④水稻赤枯病：由缺钾、缺锌和土壤环境不良等因子引起的水稻生理性病害，在来宾市兴宾区高安乡和陶邓镇有少量发生。此外，发现某些旱改水稻田出现后期贪青和叶片含氮量偏高现象，推测是盲目施肥和施药的结果。

综上所述，通过调查共检测病虫害7种，排除水稻橙叶病和水稻黄萎病为稻田黄化病因；稻纵卷叶螟、水稻胡麻斑病、水稻赤枯病、水稻细菌性条斑病和水稻纹枯病的危害症状与本次水稻黄化症状截然不同，也不是旱改水黄化病的诱因。

2.5 黄化叶片的叶绿素荧光参数

由表5可知，与正常水稻叶片相比，黄化水稻叶片的最大荧光产量(Fm)、PSⅡ最大光合量子产量(Fv/Fm)、PSⅡ实际光合量子产量[Y(Ⅱ)]显著下降，说明黄化水稻叶片的光系统Ⅱ结构遭到破坏，电子传递速率和光化学效率下降，进一步导致光合作用效率下降；黄化水稻叶片的光化学淬灭系数(qP)下降，非光化学淬灭系数(NPQ)增加，说明黄化水稻通过增强热耗散能力释放过量的激发能来减轻胁迫环境对光合结构的破坏，缓解光合速率的急剧下降。

表5 水稻黄化叶片的叶绿素荧光参数检测

对黄化水稻和正常水稻的光能利用和分配进行分析，结果(图3-A)显示，黄化水稻吸收的光能，有68.3%通过调节性能量耗散[Y(NPQ)]或非调节性能量耗散[Y(NO)]以热量形式耗散掉，只有31.7%的能量用于光化学反应[Y(Ⅱ)]；相比之下，正常水稻耗散掉46.7%的能量，其余53.3%的能量用于光化学反应[Y(Ⅱ)]，有效推动自身的生理活动。说明与正常水稻相比，黄化水稻因为叶片受损，吸收的光能出现更多过剩，导致更多光能以主动或被动的方式耗散掉，使得植物光反应减弱，水稻生长发育受影响，进而导致灌浆不实产生大量秕谷。对比来宾市兴宾区陶邓镇旱改水黄化稻田和相近正常普通稻田的测产结果(图3-B)显示，在通常的施肥投入条件下，黄化水稻平均产量显著低于正常水稻，仅为正常水稻产量的40%，说明水稻黄化与产量下降存在紧密关系。

图柱上*表示差异显著(P<0.05)

2.6 补肥简比试验情况

补肥简比试验结果(表6)显示，处理组的黄化病株率和病叶率均显著低于对照组，水稻产量显著高于对照组，说明来宾市兴宾区高安乡旱改水稻田黄化的诱因不仅是土壤营养缺乏，还包括土壤营养障碍和致害因子毒害；与对照组相比，处理组肥料配方在补充相应营养元素的同时，添加了菌肥和适量的中微量元素，可调节植物代谢，改良土壤胶体结构，在一定程度上钝化有害重金属的毒害，有效遏制水稻黄化病的发生，实现水稻稳产。

表6 旱改水新稻田补肥简比试验结果

2.7 水稻黄化病因的综合诊断结果

通过对黄化稻田的除草剂残留与侵染性病原检测，可排除侵染性病害(橙叶病和黄萎病)和长效除草剂(乙草胺、莠灭净和敌草隆)毒害是发生水稻黄化病的诱因；经对黄化稻田土壤和水稻叶片的理化性状分析，可排除铁、铝和锌等元素缺乏或过剩是发生水稻黄化病的诱因，进而初步诊断水稻黄化与土壤有机质、镁和氮含量低及土壤酸性、锰和砷含量较高有关。同时，现场调研过程中发现，旱改水土壤耕性较差，黏重板结，通水透气能力差；经肥料补偿试验结果表明，常规复合肥添加尿素和钙镁磷肥不能有效解决水稻黄化问题，而施加新型测土配方肥料可有效遏制水稻黄化病的发生。综上所述，确认广西来宾市旱改水新稻田发生水稻黄化病的主要原因是土壤镁和氮含量缺乏。同时，土壤耕性差、有机质含量低及酸度、锰、铜和砷含量偏高加剧了水稻叶片衰老、失绿和黄化。

3 讨论

耕地资源是粮食安全的根本保障，国内外的耕地保护政策长期以划区域用途管制为主[36]。我国是人口大国，粮食安全是发展的底线，为兼顾发展建设用地与坚守耕地红线双重任务，我国适时提出了耕地占补平衡政策[6]。大规模旱改水项目是近年来在我国兴起的新生事物，这种通过工程化、大规模平整土地、耕作层土壤剥离、压实表土、人工构建犁底层的“人工水稻土”，在一定程度上改变了原有土地资源的环境和生态，甚至微域地质结构[37-38]，极易产生生产障碍问题。自2020年以来，广西来宾市、防城港市和崇左市等地的旱改水稻田相继出现黄化病问题，且黄化特征相似，这是旱改水稻田生产障碍问题的一部分，与正常稻田生产障碍问题既具有共性，也有其本身的特点。旱地改变为水田后处于水淹状态，其土壤的物理性质、化学性状和生物群落均会发生变化而成为“速成水稻土”，对已长期适应“常规水稻土”的水稻而言会产生不适应性，与新开荒水田遇到的障碍问题相似[11,39-40]。在实地考查过程中发现，旱改水新稻田土壤耕性较差，黏重板结，甚至土表结皮，严重影响通水透气，且人工犁底层是机械压实，没有潴育过程，氧化还原层不明显，土壤微生物不活跃，与经年种植水稻的“熟田”相比，水稻生理功能失调风险增大。除已暴露出的黄化问题外，大规模旱改水工程对农业生态环境产生哪些影响、与传统水稻土相比存在哪些差异和不足，均有待农业科技人员综合研究分析。

针对广西来宾市旱改水稻田黄化问题，提出以下4点防控意见：①采用有机肥、菌肥，进行土壤培肥，结合冬种绿肥，提高土壤有机质含量，加快水稻土的潴育过程，同时利用微生物降解甘蔗地土壤可能残留的除草剂药害(重金属含量较高地区，不建议秸秆还田)。陈刚等[41]研究表明，连年施用有机肥可改善土壤结构，提高土壤控肥保水能力。柳开楼等[42]报道，稻田长期施用猪粪可改善土壤酸化。李菊等[43]研究证实，有机肥可活化土壤养分，有效提高包括有机质、全氮和全磷在内的土壤各项养分含量。来宾市兴宾区旱改水新稻田物理结构差，有机质含量低，肥力不足，需长期施用有机肥。②优化施肥结构，推广应用测土配方施肥技术，有针对性地提高镁肥施用量。采用侧深施肥技术，结合撒施生石灰和微生物多糖。增加犁耙次数，加快犁底层形成，改善漏水漏肥。曾旻等[44]研究认为，生石灰不但可改善土壤酸化现象，减肥稳产，而且对防治早稻中后期生理性黄叶也有一定效果。张文平等[45]研究表明，乳酸菌多糖能改善土壤养分状况、缓解土壤酸化进程、提高土壤酶活性，进而促进水稻生长。曾馥平等[46]报道，对于新开水田，可通过增加犁耙次数加速犁底层形成。来宾市兴宾区旱改水新稻田属于强酸性红壤土，部分营养元素缺乏，犁底层属于人工机械压实，由于喀斯特地区地形结构水肥渗漏风险大，亟需有针对性地补肥阻酸和保水保肥。③合理施用硅肥和含硒肥料，一方面可改良酸性土壤钝化重金属(铜和砷)活性，另一方面，在综合提高水稻抗性的同时，着重提高水稻硒元素含量。殷行行等[47]研究认为，硒通过阻碍砷向水稻地上部转运来缓解砷对水稻的毒害作用。卢志红等[48]研究表明，施用硅肥可降低铜在水稻幼苗体内的生物富集, 从而降低铜的毒害。鉴于来宾市兴宾区部分旱改水新稻田可能存在土壤有害重金属超标问题，应在培肥土壤的同时加强对有害元素污染的监控与治理。④鼓励广西水稻育种单位开展旱改水新稻区优质稻栽培安全生产技术研究。广西农业科学院水稻研究所培育的国家级优质稻、肥料高效利用品种“桂育11号”和“桂香18号”已在来宾市兴宾区五山乡旱改水试点栽培成功，2020年中稻均未出现黄化症状，测产产量在6000 kg/hm2以上，未来可在广西其他旱改水稻区推广应用这2个品种，以形成旱改水稻区优质米栽培安全生产技术体系，为下一步建设建成旱改水稻区优质稻基地打下基础。